MATERIJALI I MAŠINE ZA RAPID PROTOTYPING MATERIALS AND MACHINES FOR RAPID PROTOTYPING Nermina Zaimović-Uzunović, Samir Lemeš, Senad Balić Univerzitet u Sarajevu, Mašinski fakultet u Zenici Ključne riječi: Materijali za RP, Mašine za RP SAŽETAK Pod postupcima RP (rapid prototypinga) prije svega se podrazumijevaju postupci slojevitog građenja prototipova za precizno livenje, na tradicionalni način i preko RP, vizualizacija kreiranog novog proizvoda, testiranje novog proizvoda, izrada alata itd. Materijali i mašine za ove namjene su u toku razvoja. To su u prošlosti bili materijali koji pod djelovanjem lasera očvršćavaju, termoplastike, smole i voskovi. Cilj razvoja novih materijala je sniženje cijene koja je sada relativno visoka, ali i poboljšanje osobina materijala. Mašine za rapid prototyping su ograničene na dijelove relativno malih dimenzija. Osim toga, brzina izrade je prilično spora. U radu su detaljnije objašnjeni materijali, njihova upotreba i kategorizacija. Keywords: RP materials, machines for RP ABSTRACT RP methods, first of all layer by layer and patterns are built and used for investment casting, visualisation of just designed new product, new procuct testing, rapid tooling etc. Materials and machines for these purposes are under development. These are powders which curied under acting lasers. Besides powders, resins, waxes and thermoplastics can be included in the group of RP materials. The main aims in the materials development are decreasing the price of the materials which is relatively high, and increasing a material properties. Machines for RP are limited for producing small size parts. The process for fabricating is rather slow. In this paper usage of the materials and their categorizationare given in more details.
1. UVOD Materijali za izradu RP prije svega i uvijek su vezani za postupak kojim se izrađuju uzorci prototipovi. Svi postupci RP mogu se podijeliti na direktne i inverzne. Za obje grupe RP postupaka koriste se u različitim kombinacijama isti materijali. Od direktnih potupaka može se navesti: stereolitografija SL, FDM (fused depozition modeling), LOM (Laminate object modeling), DMS (direct metal sintering). za svaki od njih koriste se različiti materijali i mašine. Upotreba postupka, a samim tim i materijala i mašine zavisi od buduće funkcije. Nisu svi postupci pa ni materijali primjenjivi za različite ciljeve. Postoje postupci čiji je jedini cilj vizualizacija novog proizvoda, dok drugi moraju ispuniti kriterije za testiranje u radnim uslovima naročito kad se radi o dijelovima vozila ili sportskih rekvizita i kućanskih aparata. Kod prototipova različite namjene dobije se i različit kvalitet površine komada. 2. MATERIJALI ZA RP Jedno od osnovnih ograničenja za širu primjenu postupaka rapid prototypinga su upravo materijali. Do sada su poznate 22 smole za sterolitografiju proizvođača iz SAD i isto toliko iz ostalog dijela svijeta. Za postupke koji koriste praškaste materijale za postupke DMLS (direct metal laser sintering) sinterovanja proizvodi se 9 praškastih materijala, i 10 praškastih materijala za EOS (Plastic laser sintering). FDM (fused deposition modeling) postupak koji je razvila firma Stratasys koristi 5 polimera, a LOM (laminate object modeling) koriste 3 vrste materijala. 3D štampanje je posebna tehnologija koja koristi nekoliko materijala i 2 polimera za termo štampače. Ove tehnologije nisu samo, mada u najvećoj mjeri jesu namijenjene za izradu prototipova. One se koriste i u proizvodnji za izradu preciznih i složenih dijelova u postupku preciznog livenja. 2.1. Materijali za postupak sterolitografije Sterolitografija je prvi razvijeni postupak za RP. Služi za izradu prototipova koji će se testirati. Tokom nekoliko godina razvoja SL razvilo se niz mašina i materijala. Postupak se sastoji u očvršćavanju istopljene smole pod djelovanjem lasera sloj po sloj. Posljednji materijal SL 5240 je zadnji (kraj 2000.) dizajnirani materijal u seriji materijala koje je razvila firma 3D System. Uopšte razvoj RP se veže za firme koje su to učinile pa se ne može izbjeći njihovo pominjanje. Ovaj materijal nastao je poslije SL 7540 koji odgovara mašinama koje rade na principu sterolitografije SLA 3500, SLA 500 i SLA 7000 (sterolitography aparathus). Oba ova materijala SL 5240 i SL 7540 imaju mehaničke osobine slične termoplastikama. SLA 7000 je mašina koja izrađuje komade površine odličnog kvaliteta. Pošto je prototip namijenjen testiranju njegove osobine moraju odgovarati osobinama realnog objekta koji se simulira ovim modelom. Maksimalna veličina dijelova koje može da izradi mašina je 508 x 508 x 600 mm. Uzorci izrađeni postupkom stereolitografije koriste se u preciznom livenju umjesto modela (pattern) od voska. Materijali za SL su fotopolimeri. Osim SL procesa 3D Systems je razvio i tehnologiju Termo Jet za stereolitografiju. To je printer za građenje Solid objekta. Printer može da radi trodimenzionalne modele direktno od CAD podataka koji su dobiveni korištenjem CAD programa. Nakon toga se dobije stl file.
Slika 1. Termo Jet printer 3D Systems Actna 2100 je mašina koja koristi TJ 88 materijal. Ovaj materijal je izdržljiviji od prethodno razvijenih TJ 45, TJ 55, TJ 65, TJ 75. Termo Jet printeri daju modele brže i po nižoj cijeni nego postupci SLA. Ovi prototipovi nisu isto što i prototipovi dobiveni stereolitografijom. Služe samo za potvrdu dizajna, ali ne i testiranje proizvoda. Koriste se uglavnom osim ocjene dizajna i u industriji zabave, u medicinske svrhe, uz korištenje MRI i CT Scan Master Pattern, za precizno livenje (IC). Slika 2. Princip rada RP metodom Multi Jet
2.2. Materijali i mašine za FDM FDM (fused depozition modeling) je postupak koji je razvila firma Stratasys. Za ovaj postupak proizvodnje prototipova koristi se niz materijala koji su u stvari termoplastike. To su neotrovne materije. Specijalni materijal za ovaj postupak je ABS. ABS je izdržljiv materijal, visoke čvrstoće, otporan na udare, temperaturno stabilan, hemijski otporan i upotrebljiv za testiranje uzoraka. ABS-P400 koristi se za precizno livenje i za izradu modela za livenje u pijesak. Nije najbolji za ekstrudiranje, ima malo skupljanje i brzo očvršćava. ABSi-P500 je specijalni materijal koji ima karakteristike ABS i pogodan je za RP. Elastomer E20 je termoplastični poliester elastomer, materijal visoke čvrstoće i izdržljivosti za izradu fleksibilnih komponenti. Naročito se koristi u automobilskoj i elektro industriji za sportske rekvizite i kućanske aparate. Osobine prototipa od ovog materijala adekvatno imitiraju stvarni materijal. Vosak za precizno livenje ICWO6, je standardni vosak. Nakon izgaranja ostaje mali sadržaj pepela a površina otvora u koji se ulijeva materijal je dobrog kvaliteta. Tzv. Genisys materijali su namijenjeni za modele i predstavljaju izdržljive plastike oznake P1500. Za mašinsku izradu prototipova materijal se u kasetama od po deset ubacuje u mašinu. Mašine za FDM postupke razvijale su se preko modela FDM 8000 1997. godine, FDM Quantum i najnovije FDM 2000 Avalon koja je četiri puta brža od prethodnih. Razvoj materijala je ključni faktor za budući razvoj RP. Poslije izrade modela ostaju oslonci na modelu koje treba ukloniti pa se radi na razvoju postupaka uklanjanja oslonaca. Mašine za FDM postupak su ograničene veličinom prototipa 600 x 500 x 600 mm. Genisys 3D printeri se koriste za izradu automobilskih dijelova i sportskih vozila i avionskih dijelova koji će se testirati u zračnom tunelu. Slika 3. Primjeri prototipova
2.3. Osobine ABS materijala termoplastičnih (smola) ABS materijal je jedan od najviše korištenih sa RP. On ima slijedeće osobine ispitane na uzorcima FDM 2000 oblika cilindrične epruvete (1998.). Rezultati ispitivanja su: Osobina Originalni rezultati SI jedinice Gustina 0,038 lbs/in 1051,836 kg/m 3 Specifična zapremina 26,3 in 3 /lb 15211,49 mm 3 /g Savojna čvrstoća 10000 psi 68,947 MPa Skupljanje 0,005 in/in 0,005 mm/mm Koeficijent toplotnog širenja 5,3 10-5 in/in/ 0 F 9,54 10-5 mm/mm/ 0 C Temperatura topljenja 440-510 0 F 244-283 0 C Pritisna čvrstoća 7000 psi 48,263 MPa Savojna krutost 320 000 psi 2206,322 MPa Aksijalna krutost 320 000 psi 2206,322 MPa 3. OGRANIČENJA KORIŠTENJA MATERIJALA I MAŠINA ZA RP Prvo i osnovno je visoka cijena materijala za RP koji su u principu nekoliko puta skuplji od polimernih materijala koji se koriste u tehničkoj praksi. Drugo ograničenje odnosi se na tačnost RP procesa. Ona još nije dobra kao što je to tačnost konvencionalnih postupaka. Kvalitet površine kod većine RP postupaka je prilično loš. Brzina izrade RP u specijalnim mašinama je nešto što se stalno usavršava. Nove SLA mašine su 4-8 puta brže nego starije verzije SLA 500 od prije tri godine. Cijene mašina za izradu RP su izuzetno visoke i nepristupačne malim proizvođačima. U odnosu na mašine za injekciono brizganje su skuplje 6 puta, ili za HSM dva puta. 4. PREDNOSTI KORIŠTENJA RP Prva i osnovna prednost je korištenje CAD 3D (solid ili surface) modela što se dobije jednostavno korištenjem niza postojećih software-a. Vrijeme izrade proizvoda do izlaska na tržište se smanjuje, što znači i krajnja cijena razvoja proizvoda. Postupcima RP mogu se izrađivati proizvodi bilo kakve geometrije što je konvencionalnim postupcima znatno ograničeno. Proces SL ili FDM je dobio značajnu primjenu kod preciznog livenja za izradu master patterna u 3D Keltool postupku.
Slika 4. Chrysler blok automobilskog motora izrađen na Genisys 3D printeru 5. ZAKLJUČCI Nove tehnologije RP/RT za sada su našle primjenu kod velikih proizvođača složenih odgovornih dijelova u automobilskoj, avionskoj industriji i industriji zabave i sporta. Ograničenja u materijalima i mašinama su prilično velika jer su metode i postupci u fazi razvoja. U posljednje tri godine brzina izrade RP povećala se 4-8 puta što znači da se intenzivno radi na razvoju ovih tehnologija. 6. LITERATURA [1] http://www.cadcamnet.com [2] Rapid Prototyping Report, 1999, 2000 [3] Edge Online, 3D Systems Online, January-December 2000 [4] Stratasys: Aerodynamic Testing Performance, Case study, Minnesota, 1998 [5] Stratasys: Investment Casting Using FDM/ABS, RP Patterns, Case study Minnesota, 1998. [6] Stratasys: Comparison of Low Cost RP Machines, Case study, Minnesota, 2000 [7] Stratasys: Commercial Vacuum Runs on RP Parts, Case study, Minesota, 2000 [8] http://www.time-compassion.com